Flugmechanische Charakteristika von propellergetriebenen Flugzeugen mit aktiven Hochauftriebssystemen

Abstract

Durch das stetig steigende Flugaufkommen gelangen Lufträume und stark frequentierte große Flughäfen zunehmend an ihre Kapazitätsgrenzen. Die Erschließung existierender kleiner, stadtnaher Flughäfen mit kurzen Start- und Landebahnen für den Linienflugverkehr ist hierfür ein attraktiver Lösungsansatz zur Entlastung. Dies Bedarf eines kurzstart- und -landefähigen Passagierflugzeugs mit ausreichender Transportleistung und kurzer bis mittlerer Reichweite. Um diese Fähigkeit zu erhalten, sind aktive Hochauftriebssysteme notwendig, die eine signifikante Reduktion der Anfluggeschwindgkeiten solcher Flugzeuge ermöglichen. Derart leistungsfähige Hochauftriebssysteme sind bereits seit mehreren Jahrzehnten Gegenstand der Forschung, finden jedoch aufgrund ihres hohen zusätzlichen Energiebedarfs und/oder sensiblen sicherheitskritischen Technologien bislang keinen Einsatz in der kommerziellen Luftfahrt. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 880 (SFB 880) "Grundlagen des Hochauftriebs künftiger Verkehrsflugzeuge" werden aktive Hochauftriebssysteme zu diesem Zweck mit modernsten Methoden erforscht und weiterentwickelt. In dieser Arbeit wird eine Flugzeugkonfiguration betrachtet deren Hochauftriebssystem aus einer Kombination von angeblasenen sog. Coanda-Klappen und Propellerstrahleffekten besteht. Dadurch werden sehr hohe Auftriebsbeiwerte und damit langsame Fluggeschwindigkeiten bei wirtschaftlich akzeptablem zusätzlichen Energieaufwand erzielt. Die Kombination aus angeblasenen Klappen und Propellerstrahleffekten ist bereits in der Vergangenheit in Forschungsprogrammen von NASA und NAL erforscht worden. Trotz der bestätigten guten Flugleistungen zeigten sich in der Vergangenheit stets nicht zufriedenstellende bis inakzeptable Flugeigenschaften in der Seitenbewegung solcher Konfigurationen mit unvorhersehbarem Verhalten im Kurvenflug. Die Gründe für dieses Flugverhalten blieben jedoch bislang weitgehend ungeklärt und auch stabilisierende Unterstützungssysteme konnten keine zufriedenstellenden Eigenschaften erzeugen. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der flugmechanischen Analyse der Gründe für dieses Flugverhalten und der Synthese von Lösungsansätzen, um die Leistungsfähigkeit dieser effizienten Hochauftriebssysteme für den kommerziellen Gebrauch uneingeschränkt nutzbar zu machen. Zu diesem Zweck wird ein flugmechanisches Modell vorgestellt, das die Aerodynamik dieser Flugzeugkonfiguration auf Basis modernster Strömungslösungen beschreibt. Besondere Aufmerksamkeit wird der Beschreibung der Propellerstrahlinteraktion mit dem Rumpfheck gewidmet, die einen entscheidenden Einfluss auf das Flugverhalten der Konfiguration hat. Mittels flugmechanischer Simulation werden die besonderen Flugleistungen der Konfiguration bestätigt. Weiter werden die Flugeigenschaften und die Steuerbarkeit analysiert. Dabei wird herausgestellt, welche aerodynamischen Effekte und Kopplungen das defizitäre Flugverhalten erzeugen, das sich auch für die SFB-Konfiguration in ausgeprägter Form zeigt. Diese Erkenntnisse werden in einer Synthese zur Verbesserung der Eigenschaften eingesetzt. Es wird überprüft, welches Verbesserungspotential durch aerodynamische Adaption und regelungstechnische Kompensation mittels der Steuerorgane erzielt wird. Dadurch ist es gelungen die Ursachen für das defizitäre Flugverhalten solcher Konfigurationen flugmechanisch eindeutig zu identifizieren und effiziente Lösungsansätze vorzustellen.